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48,80 €ISBN 978-3-8440-4627-4Softcover196 pages107 figures290 g21 x 14,8 cmGermanThesis
August 2016
Benedikt Lunz
Deutschlands Stromversorgung im Jahr 2050
Ein szenariobasiertes Verfahren zur vergleichenden Bewertung von Systemvarianten und Flexibilitätsoptionen
Die Entwicklung des Stromsystems bis zum Jahr 2050 ist mit hohen Unsicherheiten behaftet. Sowohl der Anteil fluktuierender Erneuerbarer Energien (FEE) an der Stromversorgung im Jahr 2050 als auch der zukünftige Strombedarf kann nicht zuverlässig vorhergesagt werden. Weiterhin wird die Zusammensetzung des Stromsystems von politischen und gesellschaftlichen Fragestellungen beeinflusst. Die im Rahmen der Arbeit entwickelte Methodik hat zum Ziel, diese Unsicherheiten aufzunehmen und eine vergleichende Bewertung einer Vielzahl von Optionen zur Gestaltung des Stromsystems aus technisch-volkswirtschaftlicher Perspektive zu ermöglichen.
Dazu wurde zunächst mit einer Szenarienanalyse der Möglichkeitsraum für Stromsysteme im Jahr 2050 anhand von 9 illustrativen Szenarien beschrieben. Auf Basis dessen wurden mit einem einheitlichen Verfahren Residuallastberechnungen in stündlicher Auflösung für ein Jahr durchgeführt. Die Residuallastzeitreihen dienten als eine Eingangsvariable für eine problemspezifische heuristische Optimierungsroutine. Mithilfe dieser wurde ein Mix von Flexibilitätsoptionen, bestehend aus Kraftwerken, Speichern und Power-to-X-Technologien bestimmt, der die fluktuierende Einspeisung möglichst kostengünstig ergänzt und dabei gesellschaftlichen Randbedingungen wie einem CO₂-Reduktionsziel, der Nichtakzeptanz von bestimmten Technologien oder Potenzialbegrenzungen Rechnung trägt. Die dafür entwickelte Heuristik hat eine sehr kurze Laufzeit, so dass in überschaubarer Zeit eine Vielzahl an Systemvarianten berechnet werden kann. Der Technologieeinsatz wird dabei im kompletten Jahresverlauf berücksichtigt, was insbesondere zur Bewertung von Speichertechnologien von Bedeutung ist. Die verwendeten Eingangsparameter wurden im Rahmen der Arbeit mithilfe eines expertenbasierten Konsultationsprozesses erarbeitet. Als Ergebnis erhält man für jedes der neun Szenarien eine gültige und unter den angenommenen Randbedingungen kostengünstige Stromsystemzusammensetzung inklusive der dazu gehörigen charakteristischen Kenngrößen.
Insgesamt wurden mit der entwickelten Methodik etwa 450 mögliche Stromsystemvarianten betrachtet. Aus den umfangreichen Ergebnissen konnten übergreifende Erkenntnisse für energiepolitische Fragestellungen abgeleitet werden. Unter anderem konnte gezeigt werden, dass eine vollständige Dekarbonisierung des Stromsystems unter Annahme der in der Energiereferenzprognose der Bundesregierung unterstellten Kosten für CO₂-Emissionszertifikate im Jahr 2050 von 76 €/t nicht teurer sein muss, als wenn man den Kraftwerkspark des Jahres nach dem Atomausstieg (2023) beibehielte. Weiterhin konnte dargestellt werden, wie der Einsatz von Langzeitspeichern von den Parametern CO₂-Reduktionsziel, FEE-Anteil und den zur Verfügung stehenden Mengen an Erd- und Biogas abhängt. Die vorgestellten Ergebnisse demonstrieren, dass die entwickelte Methodik von Energieversorgungsunternehmen, Komponentenherstellern oder Ministerien eingesetzt werden kann, um in kurzer Zeit die Einflüsse vielfältiger Parameteränderungen auf die Zusammensetzung eines volkswirtschaftlich günstigen Stromsystems zu analysieren.
Dazu wurde zunächst mit einer Szenarienanalyse der Möglichkeitsraum für Stromsysteme im Jahr 2050 anhand von 9 illustrativen Szenarien beschrieben. Auf Basis dessen wurden mit einem einheitlichen Verfahren Residuallastberechnungen in stündlicher Auflösung für ein Jahr durchgeführt. Die Residuallastzeitreihen dienten als eine Eingangsvariable für eine problemspezifische heuristische Optimierungsroutine. Mithilfe dieser wurde ein Mix von Flexibilitätsoptionen, bestehend aus Kraftwerken, Speichern und Power-to-X-Technologien bestimmt, der die fluktuierende Einspeisung möglichst kostengünstig ergänzt und dabei gesellschaftlichen Randbedingungen wie einem CO₂-Reduktionsziel, der Nichtakzeptanz von bestimmten Technologien oder Potenzialbegrenzungen Rechnung trägt. Die dafür entwickelte Heuristik hat eine sehr kurze Laufzeit, so dass in überschaubarer Zeit eine Vielzahl an Systemvarianten berechnet werden kann. Der Technologieeinsatz wird dabei im kompletten Jahresverlauf berücksichtigt, was insbesondere zur Bewertung von Speichertechnologien von Bedeutung ist. Die verwendeten Eingangsparameter wurden im Rahmen der Arbeit mithilfe eines expertenbasierten Konsultationsprozesses erarbeitet. Als Ergebnis erhält man für jedes der neun Szenarien eine gültige und unter den angenommenen Randbedingungen kostengünstige Stromsystemzusammensetzung inklusive der dazu gehörigen charakteristischen Kenngrößen.
Insgesamt wurden mit der entwickelten Methodik etwa 450 mögliche Stromsystemvarianten betrachtet. Aus den umfangreichen Ergebnissen konnten übergreifende Erkenntnisse für energiepolitische Fragestellungen abgeleitet werden. Unter anderem konnte gezeigt werden, dass eine vollständige Dekarbonisierung des Stromsystems unter Annahme der in der Energiereferenzprognose der Bundesregierung unterstellten Kosten für CO₂-Emissionszertifikate im Jahr 2050 von 76 €/t nicht teurer sein muss, als wenn man den Kraftwerkspark des Jahres nach dem Atomausstieg (2023) beibehielte. Weiterhin konnte dargestellt werden, wie der Einsatz von Langzeitspeichern von den Parametern CO₂-Reduktionsziel, FEE-Anteil und den zur Verfügung stehenden Mengen an Erd- und Biogas abhängt. Die vorgestellten Ergebnisse demonstrieren, dass die entwickelte Methodik von Energieversorgungsunternehmen, Komponentenherstellern oder Ministerien eingesetzt werden kann, um in kurzer Zeit die Einflüsse vielfältiger Parameteränderungen auf die Zusammensetzung eines volkswirtschaftlich günstigen Stromsystems zu analysieren.
Keywords: Stromversorgung; Energieszenario; Szenarienanalyse; Residuallast; Flexibilitätsoptionen
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